ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ДЕФОРМАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СПЕЦИАЛЬНОГО ЛАБОРАТОРНОГО ОБРАЗЦА ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ

Исследования прочности деталей машин и конструкций в зависимости от вида возникающего в них напряженно-деформированного состояния (НДС) проводятся, как правило, на основе испытания специальных лабораторных образцов, способных создавать в своей рабочей зоне НДС с требуемыми параметрами

В работе описываются экспериментально-расчетные исследования НДС (далее – деформационных характеристик) лабораторного призматического образца, способного моделировать в своей рабочей зоне двухосное растяжение материала с различным соотношением величин главных напряжений с целью оценки достоверности этого НДС, полученного в результате расчетных исследований методом конечных элементов (МКЭ). Испытание такого образца осуществляется на стандартном оборудовании с одним силовым приводом

Для оценки достоверности деформационных характеристик предложенных образцов, полученных в результате исследований по МКЭ, проводились экспериментальные исследования перемещений и деформаций этих образцов. В исследовании использовался метод корреляции цифровых изображений (МКЦИ)

Наиболее важным параметром, определяющим точность получаемых экспериментальных данных на основе использования системы Vic–3D, является уровень дискретности спекл-структуры, связанной с поверхностью объекта. Для обеспечения метрологи­чески необходимой спекл-структуры на поверхности образца и оценки достоверности получаемых деформационных характеристик проведены тестовые испытания на растяжение плоских образцов, имеющих центральные круглые отверстия

Для оценки деформационных характеристик призматических образцов в процессе их испытания использовался образец с геометрическими размерами, представленными на рис. 2.

Рисунок 1 - Геометрические размеры призматического образца

DOI:10.23670/IRJ.2024.139.169.1

Образцы были изготовлены из полосового сортового проката методом фрезерования. Нагружение, соответствующее упругому деформированию образцов, осуществлялось на испытательной машине Instron 5989 (рис. 3). Для создания двухосного растяжения материала в образце использовались опоры 3 и 4 (рис. 3, а), последняя размещаемая на столе испытательной машины (рис. 3, б).

Измерение перемещений и деформаций выполнялось для боковой поверхности призматического образца, доступной для фотофиксации цифровыми камерами с помощью МКЦИ. Нагружение призматического образца выполнялось при постоянной скорости нагружения 2 мм/мин. Таким образом, полученные экспериментальные поля компонент перемещений и деформаций позволят далее сравнить их с результатами соответствующих расчетными данными по МКЭ

На рис. 4,а представлено начальное состояние исследуемого образца в опорах, установленных на стол испытательной машины Instron 5989, а на рис. 4,б – конечное состояние образца, деформированное упруго усилием испытательной машины.

Рисунок 2 - Лабораторная установка для испытания призматических образцов

Примечание: а – базирование образца в опорах (1 – образец, 2 – усилие, создаваемое толкателем испытательной машины, 3 – концевые опоры, 4 – призматическая опора), б – базирование призматической опоры с образцом на рабочем столе испытательной машины

DOI:10.23670/IRJ.2024.139.169.2

Рисунок 3 - Деформированное состояние призматического образца

Примечание: а – начальное состояние, б – конечное состояние

DOI:10.23670/IRJ.2024.139.169.3

Определение характеристик перемещений и деформаций осуществлялось на стадии упругого деформирования материала образца. Эта стадия определялась по виду диаграммы нагружения образца испытательным усилием, значение величины которого соответствовало линейному участку этой диаграммы. Найденное усилие далее использовалось в качестве исходных данных для численного моделирования характеристик перемещений и деформаций призматического образца по МКЭ.

На рис. 4-6 представлены результаты распределения полей перемещений и деформаций боковой поверхности исследуемого образца на стадии упругого деформирования его материала, зарегистрированное с помощью системы Vic–3D. На рис. 4, а показано цифровое отображение распределения полей продольных Δlxx  перемещений, на рис. 4, б  – осевых Δlyy перемещений спекл-структуры материала образца. На рис. 5, в приведено цифровое поле продольных εxx деформаций, на рис. 5, г – осевых εyy деформаций спекл-структуры перемещений реперных точек материала. На рис. 6, д представлены цифровые поля распределения сдвиговой εxy деформации, на рис. 6, е – интенсивности εi деформаций.

Рисунок 4 - Распределение экспериментального поля продольных Δlxx (а) и осевых Δlyy(б) перемещений

DOI:10.23670/IRJ.2024.139.169.4

Рисунок 5 - Распределение экспериментального поля продольных εxx (в) и осевых εyy (г) деформаций

DOI:10.23670/IRJ.2024.139.169.5

Рисунок 6 - Распределение экспериментального поля сдвиговой εxy (д) деформации и интенсивности εi (е) деформаций в результате обработки системой Vic-3D

DOI:10.23670/IRJ.2024.139.169.6

На рис. 7-9 представлены расчетные значения перемещений и деформаций узлов КЭ-модели призматического образца по результатам упругого деформирования, выполненные в системе Femap with NXNastran по МКЭ

[11]

. При этом значение усилия в вычислительном эксперименте соответствовало значению на динамометре испытательной машины в момент фиксации экспериментальных данных, приведенных на рис. 4-6.

Рисунок 7 - Распределение расчетного поля продольных Δlxx (а) и осевых Δlyy(б) перемещений

DOI:10.23670/IRJ.2024.139.169.7

Рисунок 8 - Распределение расчетного поля продольных εxx (в) и осевых εyy (г) деформаций

DOI:10.23670/IRJ.2024.139.169.8

Рисунок 9 - Распределение расчетного поля сдвиговой εxy (д) деформации и интенсивности εi (е) деформаций в результате вычислительного эксперимента по МКЭ

DOI:10.23670/IRJ.2024.139.169.9

Анализ сравнения результатов съемки спекл-структуры боковой поверхности образца по МКЦИ (рис. 4-6) с соответствующими данными расчётного исследования (рис. 7-9) в условиях упругого деформирования материала по представленным компонентам перемещений и деформаций показывает их качественное сходство. Эти результаты также позволяют заключить, что разработанные расчетные модели деформирования призматических образцов, моделирующих в своей рабочей зоне двухосное растяжение материала, а также проведенные на их основе вариантные вычислительные исследования, с достаточной степенью точности отражают свойства физического прототипа. В свою очередь, адекватность численных моделей подтверждена количественно сопоставлением деформационных характеристик при численном и физическом экспериментах в контрольных точках исследуемой поверхности образца, расположенных на ней в определенном порядке, представленным на рис. 10.

В качестве меры относительной погрешности расхождения результатов физического эксперимента при использовании системы Vic-3D с данными численного моделирования рассматривалось отношение

где χмкэ – расчётное значение деформационных характеристик по МКЭ, χмкци – соответствующее экспериментальное значение по МКЦИ.

Рисунок 10 - Расположение контрольных точек на боковой поверхности образца

DOI:10.23670/IRJ.2024.139.169.10

На рис. 11 представлены значения погрешности расхождения ε компонент перемещений и деформаций во всех 14 контрольных точках исследуемой поверхности (см. рис. 10).

Рисунок 11 - Погрешность расхождения сравниваемых перемещений и деформаций в контрольных точках исследуемой поверхности образца

DOI:10.23670/IRJ.2024.139.169.11

Результаты, представленные на рис. 11, в совокупности показывают, что компоненты перемещений и деформаций исследуемой поверхности образца, полученные по МКЭ (рис. 7-9) и по МКЦИ (рис. 4-6), имеют расхождение в диапазоне 10-14%.

По совокупности представленных экспериментальных данных можно заключить, что численная модель деформирования образцов призматического типа позволяет определять их НДС с относительной погрешностью, не превышающей 14%. Это обстоятельство подтверждает адекватность принятых расчетных схем и дискретных моделей, разработанных на основе трехмерных уравнений теории упругости.

Полученный в работе анализ деформационных характеристик призматических образцов позволяет в дальнейшем использовать эти образцы для оценки конструкционной прочности различных материалов и реализовать предложенную в